JP2021508129A - Pulse gas supply method and equipment using a shutoff valve - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、流体のパルス供給に用いる流体制御システムであって、フローチャネルと、フローチャネルからの流体のパルスの開始および終了を行う遮断弁と、マスフローコントローラ(MFC)とを備える。このMFCは、フローチャネルにおける流体のフローを制御する制御弁と、フローチャネルにおける流量を計測するフローセンサと、制御弁を通過する流体のフローおよび遮断弁の切替えを制御して、流体のパルスの間に供給される流体の質量を制御するコントローラとを備える。制御弁を通過する流体のフローの制御は、遮断弁により開始および終了されるパルスの間、フローセンサからのフィードバックに基づいて行うことができる。【選択図】図6The present invention is a fluid control system used for supplying fluid pulses, and includes a flow channel, a shutoff valve for starting and ending a fluid pulse from the flow channel, and a mass flow controller (MFC). .. This MFC controls switching between a control valve that controls the flow of fluid in the flow channel, a flow sensor that measures the flow rate in the flow channel, and a flow rate of the fluid passing through the control valve and a shutoff valve, and controls the switching of the fluid pulse. It is equipped with a controller that controls the mass of the fluid supplied between them. Control of the flow of fluid through the control valve can be based on feedback from the flow sensor during the pulses started and terminated by the shutoff valve. [Selection diagram] Fig. 6
Description
本願は、2018年2月2日出願の米国特許出願第15/887,447号の継続出願であり、その教示内容全体を参照により本出願の一部をなすものとして引用する。 This application is a continuation of US Patent Application No. 15 / 887,447 filed on February 2, 2018, and the entire teachings thereof are cited as part of this application by reference.
マスフローコントローラ(MFC)とは、液体およびガスのフローを計測し制御する装置である。一般的に、MFCは、導入口と、吐出口と、マスフローセンサと、所望のマスフローを得るために調節される比例制御弁とを備える。 A mass flow controller (MFC) is a device that measures and controls the flow of liquids and gases. Generally, an MFC includes an inlet, a discharge port, a mass flow sensor, and a proportional control valve that is regulated to obtain the desired mass flow.
原子層蒸着(ALD)プロセスなどの半導体製造プロセスでは、複数種類の様々なガスおよびガス混合物が様々な量で、いくつかの処理ステップにわたって供給される。通常、ガスは処理施設のタンクに貯蔵されており、ガス計量システムを用いて、計量したガスをタンクから処理器具(化学蒸着リアクタ、真空スパッタリング装置、プラズマエッチング装置など)に供給する。典型的には、ガス計量システムにおいて、またはガス計量システムから処理器具までの流路に、弁、圧力制御装置、マスフローコントローラ(MFC)、マスフロー比制御システムなどの構成部品が設けられている。 In semiconductor manufacturing processes, such as atomic layer deposition (ALD) processes, a variety of different gases and gas mixtures are supplied in varying amounts over several processing steps. Normally, the gas is stored in a tank of a processing facility, and a gas measuring system is used to supply the measured gas from the tank to a processing apparatus (chemical vapor deposition reactor, vacuum sputtering apparatus, plasma etching apparatus, etc.). Typically, components such as valves, pressure controllers, mass flow controllers (MFCs), and mass flow ratio control systems are provided in the gas metering system or in the flow path from the gas metering system to the processing equipment.
半導体処理器具にパルス状のガスのマスフローを供給するために、パルスガス供給装置が開発されている。高速プロセスでは、パルスガス供給を用いて、ダイ間およびウェハ間の相互接続を提供するシリコン貫通ビア(TSV)を有する高度な三次元集積回路を製造することが可能である。 A pulse gas supply device has been developed to supply a pulsed gas mass flow to a semiconductor processing instrument. In high-speed processes, pulsed gas feeds can be used to make advanced three-dimensional integrated circuits with silicon penetration vias (TSVs) that provide interconnects between dies and wafers.
流体のパルス供給に用いられる流体制御システムは、フローチャネル(流路)と、前記フローチャネルからの流体のパルスの開始および終了を行う遮断弁と、パルスマスフローコントローラ(MFC)とを備える。前記MFCは、前記フローチャネルにおける流体のフロー(流れ)を制御する制御弁と、前記フローチャネルにおける流量を計測するフローセンサと、前記制御弁を通過する流体のフローおよび前記遮断弁の切替えを制御して、前記流体のパルスの間に供給される流体の質量を制御するコントローラとを備える。 The fluid control system used for the pulse supply of the fluid includes a flow channel (flow path), a shutoff valve for starting and ending the pulse of the fluid from the flow channel, and a pulse mass flow controller (MFC). The MFC controls switching between a control valve that controls the flow (flow) of the fluid in the flow channel, a flow sensor that measures the flow rate in the flow channel, the flow of the fluid that passes through the control valve, and the shutoff valve. A controller that controls the mass of the fluid supplied during the pulse of the fluid is provided.
前記MFCは、圧力式MFCであっても熱式MFCであってもよい。前記制御弁は、制御入力(例えば、コントローラからの電子制御入力)に比例したフロー出力を生成する比例弁であることが好ましい。比例制御弁は、流体のフローの液位を制御するために使用することができる。 The MFC may be a pressure type MFC or a thermal type MFC. The control valve is preferably a proportional valve that generates a flow output proportional to the control input (for example, an electronic control input from the controller). Proportional control valves can be used to control the level of fluid flow.
前記コントローラは、前記遮断弁によって開始および終了される前記パルスの間、前記フローセンサからのフィードバックに基づいて、前記制御弁を通過する前記流体のフローを制御することができる。 The controller can control the flow of the fluid through the control valve based on feedback from the flow sensor during the pulses started and terminated by the shutoff valve.
前記フローセンサは、前記フローチャネル内において、前記制御弁および前記遮断弁の間に配置された制流体(絞り)を備えていてもよい。前記フローセンサは、さらに、前記フローチャネル内において、前記制御弁および前記制流体の間の上流位置における上流側圧力を検出するように構成された上流側圧力センサと、前記フローチャネル内において、前記制流体および前記遮断弁の間の下流位置における下流側圧力を検出するように構成された下流側圧力センサとを備えていてもよい。このように構成された前記フローセンサは、前記上流側圧力および前記下流側圧力に基づいて流量を計測する。 The flow sensor may include a control fluid (throttle) arranged between the control valve and the shutoff valve in the flow channel. The flow sensor further comprises an upstream pressure sensor configured to detect an upstream pressure at an upstream position between the control valve and the control fluid in the flow channel and said in the flow channel. It may be provided with a downstream pressure sensor configured to detect the downstream pressure at a downstream position between the fluid control and the shutoff valve. The flow sensor configured in this way measures the flow rate based on the upstream pressure and the downstream pressure.
前記コントローラは、i)計測された前記流量、ii)検出された前記圧力、iii)前記流体のパルスの開始時間(開始時刻)、およびiv)前記流体のパルスの終了時間(終了時刻)の関数として、供給される流体の推定モル数を決定するように構成されていてもよい。前記コントローラは、さらに、前記供給される流体の推定モル数に基づいて、前記制御弁を通過する前記フローおよび前記遮断弁の前記切替えを制御するように構成されていてもよい。 The controller is a function of i) the measured flow rate, ii) the detected pressure, iii) the start time (start time) of the fluid pulse, and iv) the end time (end time) of the fluid pulse. May be configured to determine the estimated number of moles of fluid supplied. The controller may be further configured to control the flow through the control valve and the switching of the shutoff valve based on the estimated number of moles of the supplied fluid.
前記コントローラは、残存流量の決定および計測された流量に基づいて、前記供給される流体の推定モル数を決定するように構成されていてもよい。前記コントローラは、前記上流側圧力に応じた上流側圧力信号と、前記下流側圧力に応じた下流側圧力信号とを受信し、i)前記下流側圧力およびii)前記制流体と前記遮断弁との間のデッドボリュームの関数として前記残存流量を決定するように構成されていてもよい。 The controller may be configured to determine the estimated number of moles of the supplied fluid based on the determination of the residual flow rate and the measured flow rate. The controller receives the upstream pressure signal corresponding to the upstream pressure and the downstream pressure signal corresponding to the downstream pressure, and i) the downstream pressure and ii) the control fluid and the shutoff valve. It may be configured to determine the residual flow rate as a function of the dead volume between.
前記コントローラは、前記流体のパルスの間に供給される前記流体の質量の計算に基づいて、前記遮断弁を切り替える(例えば、閉止する)ように構成されていてもよい。特に、前記コントローラは、前記供給される流体の推定モル数を、下記式により決定するように構成されていてもよい。 The controller may be configured to switch (eg, close) the shutoff valve based on a calculation of the mass of the fluid supplied during the pulse of the fluid. In particular, the controller may be configured to determine the estimated number of moles of the supplied fluid by the following equation.
式中、Δnは前記推定モル数であり、Qmは前記フローセンサにより計測された前記流量であり、Vd2は前記制流体と前記遮断弁との間の前記デッドボリュームであり、Pdは前記下流側圧力であり、t1は前記パルスの前記開始時間であり、t2は前記パルスの前記終了時間である。 In the equation, Δn is the estimated number of moles, Q m is the flow rate measured by the flow sensor, V d2 is the dead volume between the control fluid and the shutoff valve, and P d is. The downstream pressure, t 1 is the start time of the pulse, and t 2 is the end time of the pulse.
前記流量は、前記上流側圧力、前記下流側圧力、および前記流体の1つ以上の特性(分子量MWや比熱比γなど)の関数として計測することができる。 The flow rate can be measured as a function of the upstream pressure, the downstream pressure, and one or more properties of the fluid (such as molecular weight MW or specific heat ratio γ).
前記システムは、さらに、前記フローチャネルにおける前記流体の温度を計測するように構成された温度センサを備えていてもよく、この場合、前記流量は、さらに、前記流体の前記温度の関数として計測することができる。 The system may further include a temperature sensor configured to measure the temperature of the fluid in the flow channel, in which case the flow rate is further measured as a function of the temperature of the fluid. be able to.
前記コントローラは、ホストコントローラからの制御信号を受信するように構成され、前記制御信号は、前記流体の識別、前記流体のパルスの所望のモル数、前記流体のパルスの継続時間、およびパルスの繰り返し数を含んでいてもよい。 The controller is configured to receive a control signal from the host controller, which is the identification of the fluid, the desired number of moles of the pulse of the fluid, the duration of the pulse of the fluid, and the repetition of the pulse. It may include a number.
前記遮断弁は、前記パルスMFCに一体化されていてもよく、または前記パルスMFCの外部に設けられていてもよい。例えば、この外部遮断弁は、処理室および排出ラインに接続された三方弁であってもよい。前記システムは、複数の外部遮断弁を備えていてもよい。前記遮断弁のうちの1つが処理室に接続され、前記遮断弁のうちの他の1つが排出ラインに接続されていてもよい。 The shutoff valve may be integrated with the pulse MFC or may be provided outside the pulse MFC. For example, the external shutoff valve may be a three-way valve connected to the processing chamber and discharge line. The system may include a plurality of external shutoff valves. One of the shutoff valves may be connected to the processing chamber and the other one of the shutoff valves may be connected to the discharge line.
流体のパルスを供給する方法は、制御弁を用いてフローチャネルへの流体のフローを制御することと、フローセンサを用いて前記フローチャネルにおける流量を計測することと、遮断弁の切替えを制御して、前記フローチャネルからの流体のパルスの開始および終了を行うことと、前記制御弁を通過する流体のフローおよび前記遮断弁の切替えを制御して、前記流体のパルスの間に供給される流体の質量を制御することとを含む。 The method of supplying the fluid pulse is to control the flow of the fluid to the flow channel by using a control valve, to measure the flow rate in the flow channel by using a flow sensor, and to control the switching of the shutoff valve. The fluid supplied during the pulse of the fluid by controlling the start and end of the pulse of the fluid from the flow channel, the flow of the fluid passing through the control valve, and the switching of the shutoff valve. Including controlling the mass of.
前記制御弁を通過する前記流体のフローの制御は、前記遮断弁により開始および終了される前記パルスの間、フィードバック(例えば、前記フローセンサからのフィードバック)に基づいて行うことができる。 Control of the flow of the fluid through the control valve can be performed based on feedback (eg, feedback from the flow sensor) during the pulses started and terminated by the shutoff valve.
前記方法は、さらに、前記フローチャネル内において、前記制御弁および前記遮断弁の間に配置された制流体と前記制御弁との間の上流位置における上流側圧力を検出することと、前記フローチャネル内において、前記制流体と前記遮断弁との間の下流位置における下流側圧力を検出することとを含んでいてもよい。前記フローチャネルにおける流量の計測は、前記上流側圧力および前記下流側圧力に基づいて行うことができる。 The method further comprises detecting an upstream pressure in the flow channel at an upstream position between the control fluid arranged between the control valve and the shutoff valve and the control valve, and the flow channel. Within, it may include detecting a downstream pressure at a downstream position between the control fluid and the shutoff valve. The measurement of the flow rate in the flow channel can be performed based on the upstream pressure and the downstream pressure.
前記方法は、さらに、i)計測された前記流量、ii)計測された前記圧力、iii)前記流体のパルスの開始時間、およびiv)前記流体のパルスの終了時間の関数として、供給される流体の推定モル数を決定することを含んでいてもよい。前記制御弁を通過する前記流体のフローおよび前記遮断弁の前記切替えは、前記供給される流体の推定モル数に基づいて制御することができる。 The method further comprises a fluid supplied as a function of i) the measured flow rate, ii) the measured pressure, iii) the pulse start time of the fluid, and iv) the end time of the fluid pulse. It may include determining the estimated number of moles of. The flow of the fluid through the control valve and the switching of the shutoff valve can be controlled based on the estimated number of moles of the supplied fluid.
本発明の実施形態は、いくつかの利点を有する。MFC(例えば、供給されるガスの推定モル数に基づくコントローラ)により制御される遮断弁を設けることにより、実施形態において、パルスガス供給を高速化し、パルスガス供給の精度を向上し、所望のパルス形状に適合させ、パルスガス供給を簡易化し、ガス使用量を節約し、チャンバにおけるガス種のクロスコンタミネーションを最小限に抑え、かつMFCの制御弁のリークの問題を解消することができる。本発明の実施形態は、マスフローコントローラを用いた高速パルス供給用途(ALDプロセスやTSVプロセスなど)に対して包括的な解決手段を提供することができる。 Embodiments of the present invention have several advantages. By providing a shutoff valve controlled by an MFC (eg, a controller based on the estimated number of moles of gas supplied), in embodiments, the pulse gas supply is accelerated, the accuracy of the pulse gas supply is improved, and the desired pulse shape is obtained. It can be adapted, simplifying pulse gas supply, saving gas usage, minimizing gas species cross-contamination in the chamber, and eliminating the problem of MFC control valve leaks. An embodiment of the present invention can provide a comprehensive solution for high-speed pulse supply applications (ALD process, TSV process, etc.) using a mass flow controller.
上記の内容は、添付の図面に示された例示的な実施形態についての以下のより具体的なから明らかとなる。添付の図面において、複数の図面における同一の参照符号は、同一部分を示す。これらの図面は必ずしも縮尺に合わせたものではなく、実施形態を図示するにあたり強調が加えられている。
以下において、例示的な実施形態を説明する。 An exemplary embodiment will be described below.
半導体製造プロセスまたは化学プロセスにおけるプロセスガスなどの流体のパルス供給に用いる流体制御システムが提供される。この流体制御システムは、マスフローコントローラ(MFC)と、フローチャネルからの流体の1つ以上のパルスの開始および終了を行う遮断弁とを備える。 A fluid control system used for pulse feeding of a fluid such as a process gas in a semiconductor manufacturing process or a chemical process is provided. The fluid control system includes a mass flow controller (MFC) and a shutoff valve that initiates and terminates one or more pulses of fluid from the flow channel.
産業プロセスにおいては、流体のパルスが処理室に供給される間に、所望のモル数の流体を供給することが必要となることがある。 In an industrial process, it may be necessary to supply a desired number of moles of fluid while a pulse of fluid is being supplied to the processing chamber.
「モル」とは、国際単位系(SI)で物質量に用いられる計測単位である(単位の記号はmol)。「モル」は、12gの炭素12(12C:定義では、標準原子量が12の炭素の同位体)の中に存在する原子の数と等しい数の構成粒子(例えば、原子、分子、イオン、電子、または光子)を含む物質の量またはサンプルとして定義される。この数は、アボガドロ定数(値は約6.022140857×1023mol−1)によって示される。モルは、化学反応における反応物および生成物の量を表す簡便な方法として広く用いられている。モル体積(記号:Vm)は、所定の温度および圧力において1モルの物質が占める体積である。モル体積は、質量密度(ρ)で除したモル質量(M)に等しい。 "Mole" is a unit of measurement used for the amount of substance in the International System of Units (SI) (the unit symbol is mol). A "mol" is a number of constituent particles (eg, atoms, molecules, ions, electrons, etc.) equal to the number of atoms present in 12 g of carbon-12 (12C: by definition, an isotope of carbon with a standard atomic weight of 12). Or as an amount of substance containing photons) or as a sample. This number is indicated by the Avogadro constant (value is about 6.022140857 × 10 23 mol -1 ). Mols are widely used as a convenient way to represent the amount of reactants and products in a chemical reaction. Molar volume (symbol: V m ) is the volume occupied by 1 molar substance at a given temperature and pressure. The molar volume is equal to the molar mass (M) divided by the mass density (ρ).
これまでのパルスガス供給のアプローチとしては、ホストコントローラによりMFCにおいてガス流のオンオフを切り替えることが挙げられる。別の従来のアプローチでは、体積圧力を計測することにより、充填体積および吐出体積を用いてパルスを供給する。従来から知られているこれらのアプローチの短所としては、要求されるガス量を供給するために流量を算出し調節しなければならないホストコントローラに、高い作業負荷が課される点である。パルス幅が短くなるほど、ホストコントローラとMFCとの間の通信ジッタにより、繰り返し性および精度の点でパルスガス供給性能が低下する。従来のパルスMFC(特に、圧力式パルスMFC)ではパルス形状が理想的でなく、長いテールを有する傾向にある(例えば、図7Aおよび関連の説明を参照)。 Conventional approaches to pulse gas supply include switching the gas flow on and off in the MFC by the host controller. Another conventional approach is to measure the volumetric pressure to deliver a pulse using the fill volume and discharge volume. The disadvantage of these conventionally known approaches is that they impose a high workload on the host controller, which must calculate and adjust the flow rate to deliver the required amount of gas. As the pulse width becomes shorter, the communication jitter between the host controller and the MFC reduces the pulse gas supply performance in terms of repeatability and accuracy. Conventional pulsed MFCs (particularly pressure pulsed MFCs) are not ideal in pulse shape and tend to have long tails (see, eg, FIG. 7A and related description).
図1には、熱式マスフローコントローラ(MFC)110と、ホストコントローラ120と、分流ラインおよび処理室に接続された三方弁130とを用いる従来のパルスガス供給システム100が示されている。ホストコントローラ120は、MFC110に指示を与えてガス源から一定の流量のガスを供給し、三方弁130を作動させて、所望のパルス継続時間に基づいて処理室または分流ラインへフローを切り替える。このシステム100は、実際に処理室に供給されたガスの量についてのフィードバックを用いていない。システム100のようなパルスガス供給システムの短所としては、パルスの精度および繰り返し性が閉止弁(例えば、三方弁130)に依存する点である。さらに、このようなシステムのMFCは常時ガスを流しており、分流ラインを介してプロセスガスを浪費してしまうので、プロセスガスが高価となる場合もあることから望ましくない。
FIG. 1 shows a conventional pulse
図2Aには、微小電子機械システム(MEMS)技術に基づく熱式MFCなどの高速応答性の熱式MFC210を採用した従来のパルスガス供給システム200が示されている。ホストコントローラ220は、標準流量制御を用いてパルス供給を直接制御する。標準流量制御モードは、
a)フローを開始するために、ホストコントローラが所望のパルス開始時間(t1)におけるフロー設定点Qを送信する処理ステップと、
b)フローを終了するために、ホストコントローラが所望の終了時間(t2)におけるゼロ(“0”)フロー設定点を送信する処理ステップと、
c)時間(t3)から所望の数のパルスを得るために、上記のステップを“n”回繰り返す処理ステップと、を含んでいてもよい。
FIG. 2A shows a conventional pulse
a) A processing step in which the host controller transmits a flow setting point Q at a desired pulse start time (t 1) in order to start the flow.
b) A processing step in which the host controller sends a zero (“0”) flow set point at the desired end time (t 2) to end the flow.
c) It may include a processing step of repeating the above steps "n" times in order to obtain a desired number of pulses from the time (t 3).
図2Bは、図2Aのシステム200を標準速度制御モードで用いたときの所望の流量(“設定点”)および実際の流量(“フロー”)の例を示すグラフである。
FIG. 2B is a graph showing an example of a desired flow rate (“setting point”) and an actual flow rate (“flow”) when the
図2A〜図2Bに示された従来のアプローチにはいくつかの短所がある。上記MFCは、高速制御(例えば、<500msec )を行うものの、特定のALDおよびTSVプロセスの要件に対しては速さが十分とならない場合もある。また、上記MFCは設定点に応じて動作するが、設定点までの初期ガスランプを調節するものではない。供給は時間にのみ基づいて行われ、実際に供給されるガス量に対するフィードバックがない。さらに、ホストコントローラ220とMFC210との間のデジタル通信「ジッタ」は、パルス供給の繰り返し性に影響を与える可能性がある。また、MEMS技術に基づく熱式MFCは高速であるものの、腐食性ガスとは適合しない場合もある。
The conventional approaches shown in FIGS. 2A-2B have some drawbacks. Although the MFC provides high speed control (eg, <500 msec), it may not be fast enough for the requirements of a particular ALD and TSV process. Further, although the MFC operates according to the set point, it does not adjust the initial gas lamp up to the set point. The supply is based only on time and there is no feedback on the amount of gas actually supplied. In addition, the digital communication "jitter" between the
図3Aには、圧力式パルスガス供給を用いた従来のパルスガス供給装置300が示されている。この分野では圧力式のモル計測技術が知られており、この技術は、図3Bに示されるような、既知の容積に導入されたガスについての時間(t)に対する圧力(P)の応答305を用いる。装置300は、既知の容積を有するチャンバ350と、チャンバ350の上流側(“Vin”)に位置する弁340と、チャンバ350の下流側(“Vout”)に位置する弁345とを備える。また、チャンバ350に圧力センサ365と、温度センサ360とが設けられている。
FIG. 3A shows a conventional pulse
まず、装置300は、上流側の弁340を開放し下流側の弁345を閉止することにより充填してもよく、これによって、一定期間(“充填”期間Δt=(t1−t0),図3B)にわたりガス流(Qi)を装置に流入させてチャンバ350を満たし、圧力の変化を生じさせることができる。時間t1および圧力P2において、上流側の弁340は閉止される(“Vin閉止”)。その後、このプロセスは、チャンバ350内のガスを設定点に安定化させることができる期間(t2−t1)を有する。この期間に、例えば、圧力センサ365および温度センサ360により、圧力および温度の計測が行われる。下流側の弁345を開放すると(時間t2の“Vout開放”,図3B)、弁345が再度閉止される(時間t4の“Vout閉止”)まで、ガス流(Qo)が装置300から流出し、一定期間(“供給”期間Δt=t4−t2)および圧力変化(ΔP=P1−P2)にわたり、前記装置から処理器具にガスのパルスを供給する。
First, the
圧力式のモル計測方法および装置は、さらに、Dingによる米国特許出願第13/626,432号(米国特許出願公開第2014/0083514号として2014年3月27日に公開)に記載されている。同文献の内容全体を、参照により本出願の一部をなすものとして引用する。供給チャンバ内の圧力低下に基づいて決定される流量を用いたマルチチャネルパルスガス供給については、2016年5月24日発行のDing et al.による米国特許第9,348,339号に記載されている。同文献の内容全体を、参照により本出願の一部をなすものとして引用する。 Pressure-based molar measurement methods and devices are further described in Ding's US Patent Application No. 13 / 626,432 (published March 27, 2014 as US Patent Application Publication No. 2014/0083514). The entire contents of this document are cited by reference as forming part of this application. Multi-channel pulse gas supply with a flow rate determined based on the pressure drop in the supply chamber is described in US Pat. No. 9,348,339 by Ding et al., Issued May 24, 2016. There is. The entire contents of this document are cited by reference as forming part of this application.
図3Bに示されるパルスガス供給は、供給レシピを実行する装置300のコントローラ上のプログラムによって実装することができる。パルス供給はトリガ信号(例えば、ホストコントローラからの制御信号)により開始される。供給されるガスは、理想気体の法則Δn=(ΔP*V)/(R*T)に基づいて推定することができる。
The pulsed gas supply shown in FIG. 3B can be implemented by a program on the controller of
図3A〜図3Bに示されるアプローチにはいくつかの制限がある。パルス供給の精度および繰り返し性は、下流側の閉止弁の速度および信頼性に依存している。応答時間が短い閉止弁が所望される。しかしながら、この弁が古くなると、適応調整が必要となって複雑性が増すことになるか、またはこの弁の交換が必要となることがあり、通常、交換にはプロセスの中断を要する。多くの場合、パルス形状(例えば、パルス幅)が所望するものではないか、所望する矩形波とパルスが十分に一致しない。さらに、チャンバ350に一定量のガスを充填する必要があることにより、時間を要する。各パルスの前にガス充填時間および安定化時間があることにより、急速ガス供給サイクルの時間が制限される。
The approaches shown in FIGS. 3A-3B have some limitations. The accuracy and repeatability of the pulse supply depends on the speed and reliability of the shutoff valve on the downstream side. A shutoff valve with a short response time is desired. However, as the valve ages, adaptive adjustments may be required to increase complexity, or the valve may need to be replaced, which usually requires process interruption. In many cases, the pulse shape (eg, pulse width) is not what you want, or the desired square wave and pulse do not match well. Further, it takes time because the
一方、圧力式のモル計測技術の利点としては、計測対象となる特定のガスまたはガス混合物についての情報を要することなくこれらの技術を適用することができる点である。チャンバ容積に対するマスバランスおよび理想気体の法則を適用することにより導かれるガス流量は、ガスに依存したものではなく、計測対象のガスの挙動を特徴づける3つの状態変数である圧力(P)、温度(T)および体積(V)に基づいている。 On the other hand, the advantage of the pressure-type molar measurement technique is that these techniques can be applied without requiring information about a specific gas or gas mixture to be measured. The gas flow rate derived by applying the mass balance to the chamber volume and the law of ideal gas is not gas-dependent and is the three state variables that characterize the behavior of the gas to be measured: pressure (P) and temperature. Based on (T) and volume (V).
図4には、理想的な矩形状のフロー設定点(Q)および供給時間(Δt)の積によって定められるガス用量を用いたパルス供給が示されている。ガス供給サイクル400は、“パルス・オン”期間(t2−t1)、“パルス・オフ”期間(t3−t2)、ガス用量(例えば、1パルス当たりのガスのモル数)、および1サイクル当たりのパルス数によって特定することができる。パルス供給について、ガスのモル供給量は、理想のフロー設定点(Q)×供給時間(Δt=t2−t1)として定義することができる。
FIG. 4 shows pulse feeding with a gas dose determined by the product of an ideal rectangular flow setting point (Q) and feeding time (Δt). The
図4に示されるようなステップ関数のフロー供給は理想的ではあるものの、実際のセンサおよび弁の時定数により現実的ではない。実用的用途の場合、要求されるタイムフレームにおける用量の精度および繰り返し性が重要な目的となる。よって、正確性および繰り返し性をもってガスを供給することが望ましい。このために、MFCの計算機能を用いて流量の計算および調節を行うことで、要求される量のガスを指定時間内に供給することができる。特に、このMFCは、実際に供給されたガス用量を算出し、目標のパルスガス用量に調整するように構成することができる。 Although the flow supply of the step function as shown in FIG. 4 is ideal, it is not realistic due to the time constants of the actual sensor and valve. For practical applications, dose accuracy and repeatability in the required time frame are important objectives. Therefore, it is desirable to supply the gas with accuracy and repeatability. For this purpose, the required amount of gas can be supplied within a specified time by calculating and adjusting the flow rate using the calculation function of the MFC. In particular, the MFC can be configured to calculate the gas dose actually supplied and adjust to the target pulse gas dose.
図5には、ガスのパルス供給に用いられる従来のシステム500が示されている。システム500は、パルス供給用に構成された圧力式MFC510を有する。ホストコントローラ520はMFC510と通信して、例えば、パルスモル設定点、パルス・オン期間、パルス・オフ期間、およびパルス繰り返し数などの所望のパルス供給情報についての情報をMFC510に提供する。パルス供給サイクルを開始するために、ホストコントローラ520は、MFC510にトリガ信号を送る。MFC510は、ガス源からフローチャネル515への流体のフローを制御する制御弁580(例えば、比例制御弁)を有する。MFC510のコントローラ505は、制御弁580を通過する流体のフローを制御して、流体のパルスの間に処理室に供給される流体を制御するように構成されている。コントローラ505は、フローチャネルにおける流量(Q)を計測するために設けられたフローセンサ525からのフィードバックに基づいて、制御弁580を通過する流体のフローを制御する。フローセンサ525は、フローチャネル515内において上流側圧力センサ555の下流側かつ下流側圧力センサ565の上流側に制流体570を備える。制御弁580は、制流体570およびこれらの圧力センサの上流側にある。
FIG. 5 shows a
図5の装置におけるパルスガス供給量は、下記式により求められる。 The pulse gas supply amount in the device of FIG. 5 is calculated by the following formula.
式中、Δnは供給されたガスのモル数であり、Qはフローセンサにより計測された流量であり、t1はパルスの開始時間であり、t2はパルスの終了時間である。 In the equation, Δn is the number of moles of supplied gas, Q is the flow rate measured by the flow sensor, t 1 is the pulse start time, and t 2 is the pulse end time.
圧力式のパルスMFCガス供給は、さらに、Junhua Ding et al.による国際公開第2012/116281号(タイトル:“System for and Method of Fast Pulse Gas Delivery”)に記載されている。同文献の内容全体を、参照により本出願の一部をなすものとして引用する。 The pressure-type pulsed MFC gas delivery is further described in International Publication No. 2012/116281 (Title: "System for and Method of Fast Pulse Gas Delivery") by Junhua Ding et al. The entire contents of this document are cited by reference as forming part of this application.
図7Aには、図5のシステム500を用いたパルス供給のグラフが示されている。流量は、理想のパルス形状702に実際のパルス形状704を重ねた時間の関数として示されている。理想のパルスのパルス幅は300msである。曲線の下の面積は、供給されたガスのモル数を表している。実際に供給されたパルスにおいては、過渡的応答(例えば、テール)が大きく、これは、センサ(例えば、下流側圧力センサ565)と制御弁580との間の容積に起因し得る。パルスを終了させるために制御弁580が閉止されたとき、フローチャネル515内のガスは処理室へ流入し続ける。
FIG. 7A shows a graph of pulse supply using the
比較的長い時間にわたってパルスが供給される場合、過渡的なフローはあまり重要とならないこともある。一方、パルスが短い場合には、過渡的なフローは問題となり得る。通常、MFCは定常状態で校正される。しかしながら、MFC制御弁の過渡的な応答は、弁によって異なることがある。 Transient flow may not be very important if the pulse is delivered over a relatively long period of time. On the other hand, if the pulse is short, transient flow can be a problem. Normally, the MFC is calibrated in a steady state. However, the transient response of the MFC control valve may vary from valve to valve.
図6には、本発明の一実施形態に係る流体のパルス供給に用いられる、改良された流体供給システム600が示されている。システム600は、一体化された遮断弁690を有する圧力式のパルスMFC610を備える。MFC610は、フローチャネル615における流体のフローを制御する制御弁680(例えば、比例制御弁)を有する。遮断弁690は、フローチャネル615から、例えば処理室への流体のパルスの開始および終了を行うように構成されている。パルスMFCコントローラ605は、制御弁680を通過する流体のフローおよび遮断弁690の切替えを制御して、流体のパルスの間に供給される流体の質量を制御するように構成されている。コントローラ605は、遮断弁690によって開始および終了されるパルスの間、フローセンサ625からのフィードバックに基づいて、制御弁680を通過する流体のフローを制御することができる。
FIG. 6 shows an improved
図6では、制御弁680は、フローチャネル615へのフローを制御するためにフローセンサ625の前に配置された状態で示されているが、制御弁はフローセンサの後に配置することもできる。
In FIG. 6, the control valve 680 is shown in front of the
フローセンサ625は、フローチャネル615における流量(Q)を計測するために設けられている。図6に示された実施形態では、フローセンサ625は、フローチャネル615内において、制御弁680と遮断弁690との間に配置された制流体670を備える。フローセンサ625は、さらに、上流側の圧力センサ655と、下流側圧力センサ665とを備える。上流側圧力センサ655は、フローチャネル615内において、制御弁680と制流体670との間の上流位置における上流側圧力(Pu)を検出するように構成されている。下流側圧力センサ665は、フローチャネル615内において、制流体670と遮断弁690との間の下流位置における下流側圧力(Pd)を検出するように構成されている。フローセンサは、この分野で知られているように、この上流側圧力および下流側圧力に基づいて流量を計測するように構成されている。前記システムは、さらに、フローチャネル615内の流体の温度を計測するように構成された温度センサ660を有していてもよく、この場合、前記流量は、さらに、この分野で知られているように、流体の温度の関数として計測することができる。
The
図6に示されるように、パルスMFCコントローラ605は、流体供給プロセスに関するデータの送受信を行うためにホストコントローラ620と通信している。コントローラ605は、例えば流体のパルス供給に用いるパラメータを特定するために、ホストコントローラ620からの制御信号を受信するように構成されていてもよい。この制御信号としては、流体の識別、流体のパルスの所望のモル数、流体のパルスの所望の継続時間、パルス間におけるオフ時間、およびパルスの数が挙げられる。コントローラ605は、供給される流体の推定モル数に基づいて、制御弁680を通過するフローおよび遮断弁690の切替えを制御するように構成されていてもよい。コントローラ605は、制御弁680のフロー設定点を調節して、パルス供給の間に前記弁を通過するフローを制御するように構成されている。また、コントローラ605は、供給された推定モル数に基づいて、パルス供給の間、フロー設定点およびパルスの継続時間(例えば、実際のパルス・オン期間)を制御するように構成されていてもよい。一実施形態において、前記コントローラは、i)計測された流量、ii)残存流量、iii)流体のパルスの開始時間、およびiv)流体のパルスの終了時間の関数として、供給される流体の推定モル数を決定する。コントローラ605は、上流側圧力(Pu)に対応する上流側圧力信号と、下流側圧力(Pd)に対応する下流側圧力信号とを受信し、i)下流側圧力およびii)制流体と遮断弁との間のデッドボリュームの関数として残存流量を決定するように構成されている。
As shown in FIG. 6, the
図6に示されるシステムには、より矩形または理想に近いパルス形状とするために、圧力式パルスMFC610に高速応答性遮断弁690が追加されている。遮断されていない場合、長い時間にわたってフローが減少することにより、パルス形状および制御弁が閉止された後の供給精度に悪影響を与える傾向がある。また、遮断弁690を用いることにより供給速度が向上するので、システム600は短時間(100〜200ms)のパルスを供給することができる。制御弁680および遮断弁690はパルスの終了時に同時に閉止することができるので、処理室に流体が漏れることがなくなる。
In the system shown in FIG. 6, a high-speed
図6に示された実施形態では、パルスMFC610と一体化された遮断弁690が設けられている。この遮断弁は、図8〜図10に示されるように、熱式MFCを含むパルスMFCの外側に取り付けてもよい。このような解決手段は、パルスガス供給機能を有するMKS P9B MFC(MKS Instruments, Inc.)等の既存のパルスMFCと適合可能である。
In the embodiment shown in FIG. 6, a
外部遮断弁を用いる場合、図9〜図10に示されるように、排出ライン(例えば、分流ライン)を用いて、パルスMFCが各パルス供給につき決定性初期条件を有するようにしてもよい。この排出ラインにより、パルスの開始前にフローチャネルから流体をパージすることができる。 When an external shutoff valve is used, a discharge line (eg, a diversion line) may be used to ensure that the pulse MFC has a deterministic initial condition for each pulse supply, as shown in FIGS. 9-10. This discharge line allows the fluid to be purged from the flow channel before the start of the pulse.
本発明の実施形態は、既存のパルスMFC(特に、圧力式パルスMFC)に対する拡張である。パルス供給期間(パルス・オン期間)が終了すると、下流側の遮断弁が直ちに閉止され、出力フローが零まで低下する。図6の装置に用いられるパルスガス供給量Δn(モル)は、以下に再度示す式1により求めることができる。 Embodiments of the present invention are extensions to existing pulsed MFCs (particularly pressure pulsed MFCs). When the pulse supply period (pulse on period) ends, the shutoff valve on the downstream side is immediately closed and the output flow drops to zero. The pulse gas supply amount Δn (mol) used in the apparatus of FIG. 6 can be obtained by the formula 1 shown again below.
式中、Qmはフローセンサによって計測された流量(制流体に対して上流側の圧力Puおよび下流側の圧力Pd、ガス温度Tならびにガスの分子量MWおよび比熱比γ等のガスの特性の関数)であり、Vd2は制流体と遮断弁との間のデッドボリュームであり、Pdは下流側圧力の計測結果であり、t1はパルスの開始時間であり、t2はパルスの終了時間である。 Wherein, Q m is the pressure P d, the gas temperature T and molecular weight MW and the specific heat ratio characteristics of the gas such as γ of the gas pressure P u and the downstream side of the upstream side with respect to flow rates (system fluid measured by the flow sensor V d 2 is the dead volume between the control fluid and the shutoff valve, P d is the measurement result of the downstream pressure, t 1 is the start time of the pulse, and t 2 is the pulse start time. The end time.
デッドボリュームVd2および下流側のPdを含む下記の項は、質量保存の法則に基づいている。 The following terms, including the dead volume V d2 and the downstream P d , are based on the law of conservation of mass.
この項は、前記制流体と遮断弁との間の空間に存在する流体を補償するために、式1に含まれている。この項は、残存流量として定義することができる。前記フローセンサは、前記フローチャネルにおいて上流側圧力センサと下流側圧力センサの間に圧力差がある場合、遮断弁が閉止された後にフロー信号を生成してもよい。なお、遮断弁は閉止されているので、このフローは処理室には向かわない。しかし、チャネル内には流体が残っており、式1の前記項がこれを補償するように意図されている。 This term is included in Equation 1 to compensate for the fluid present in the space between the control fluid and the shutoff valve. This term can be defined as the residual flow rate. The flow sensor may generate a flow signal after the shutoff valve is closed if there is a pressure difference between the upstream pressure sensor and the downstream pressure sensor in the flow channel. Since the shutoff valve is closed, this flow does not go to the processing room. However, fluid remains in the channel and the term in Equation 1 is intended to compensate for this.
動作中、ユーザは、モルベースのパルス供給について以下のパラメータを指定することができる:(1)モル供給設定点(nsp)、(2)パルス・オン期間(Ton)の所望(例えば、目標)の長さ、(3)パルス・オン期間およびパルス・オフ期間の合計(Τtotal)、および(4)パルス数(N)。この情報は、ホストコントローラ620を介してMFC610に伝達することができる。MFC610のコントローラ605は、この情報に基づき、式1に従ってフローセンサ(例えば、フローセンサ625)により計測された流量に基づいて、フロー設定点および任意でパルス・オン期間を自動的に調節して、所望のモル数のガスを所望のパルス・オン期間内に正確に供給するように構成されている。
During operation, the user can specify the following parameters for the molar-based pulse supply: (1) molar supply setpoint (n sp ), (2) desired pulse-on period (Ton ) (eg, target). ), (3) the sum of the pulse-on period and the pulse-off period (Τ total ), and (4) the number of pulses (N). This information can be transmitted to the
MFC610は、モルベースのパルス供給を用いて、制御弁680のフロー設定点および任意で実際のパルス・オン期間を制御し、必要に応じて調節を行うことで、各パルスにより供給されるモル数を制御する。MFC610は、これらのパラメータに基づき、正確なタイミングで連続したN個のパルスのフローを自動的に供給し、各パルスは、合計パルス期間のうちMFCがオンである各部分の間、Δnのモルを供給し、パルス・オン期間およびパルス・オフ期間の合計(Ttotal)における残りの部分については、前記MFCをオフにし、遮断弁を閉止する。パルス供給の間、MFC610は、各パルスに対する目標パルス・オン期間(Ton)内に所望のモル数を正確に供給するために、パルスの間に供給される推定モル数のフィードバックに基づいて、制御弁680のフロー設定点(Qsp)を自動的に調節する。また、MFC610は、前回のパルス供給のフィードバックに基づいて、制御弁680のフロー設定点および任意で実際のパルス・オン期間を調節してもよい。
The MFC610 uses a molar-based pulse supply to control the flow setting point of the control valve 680 and optionally the actual pulse-on period, and adjust as necessary to reduce the number of moles supplied by each pulse. Control. Based on these parameters, the
特定の状況において(例えば、前記システムがしばらくの間アイドル状態に置かれた後のプロセススタートアップの間)、モル供給の要求が、フローチャネルの容積部内の流体の質量よりも小さくなることがある。これは、「ファーストウェハ」問題とも呼ばれる。例えば、制御弁にリークがあることがあり、この場合、フローチャネルにおいて圧力が上昇することになる。この圧力は、パルスに必要とされるモル数を得るために十分である場合もある。このような状況では、MFCは、前記制御弁を開放せずに前記遮断弁のみを開放して、所望の流体のパルスを供給してもよい。パルスの間に、下流側圧力Pdを計測し、式1から算出される所望のモル数の流体が得られた場合には、パルスを終了させることが可能である。 In certain situations (eg, during process startup after the system has been idle for some time), the demand for molar supply may be less than the mass of fluid in the volume of the flow channel. This is also called the "first wafer" problem. For example, the control valve may have a leak, which will result in increased pressure in the flow channel. This pressure may be sufficient to obtain the number of moles required for the pulse. In such a situation, the MFC may open only the shutoff valve without opening the control valve to supply a pulse of the desired fluid. During the pulse, the downstream pressure P d is measured, and when the desired number of moles of fluid calculated from Equation 1 is obtained, the pulse can be terminated.
この分野において知られているように、前記チャネルの制流体を通過するフロー(Q)は、制流体の上流側および下流側の圧力(PuおよびPd)(つまり、制流体のすぐ近くの圧力)、制流体を通過する流路の断面積(A)、および比熱比γや分子量MWなどのガスの特性の関数として、下記式のように表すことができる。 As is known in the art, the flow (Q) passing through the control fluid of the channel is the pressures ( Pu and P d ) on the upstream and downstream sides of the control fluid (ie, in the immediate vicinity of the control fluid). It can be expressed as a function of the characteristics of the gas such as pressure), the cross-sectional area (A) of the flow path passing through the control fluid, and the specific heat ratio γ and the molecular weight MW as shown in the following equation.
関数fQは、実験データまたは実験により得ることができる。制流体としてフローノズルが用いられる場合、下記式を用いることができる。 The function f Q can be obtained by experimental data or experiments. When a flow nozzle is used as the control fluid, the following equation can be used.
式中、Cは制流体の吐出係数であり、Rは一般ガス定数であり、Tはガスの温度である。 In the equation, C is the discharge coefficient of the control fluid, R is the general gas constant, and T is the temperature of the gas.
他の制流体およびこうした制流体を通過するマスフローを表す対応の式を用いることも可能であり、この分野において知られている。 Corresponding equations for other control fluids and mass flows passing through these control fluids can also be used and are known in the art.
従来の方法に対して本発明の実施形態により得られる特定の利点としては、ガスパルス供給の精度が向上し;長いパルステールをなくすことにより、要求されるパルス形状に適合し;(特に、短時間のパルスについて)供給速度が向上したことが挙げられる。図7Aおよび図7Bにより、一体型の下流側の遮断弁が設けられている場合と、設けられていない場合について、パルスガス供給性能の比較が可能である。 A particular advantage obtained by embodiments of the present invention over conventional methods is improved accuracy of gas pulse delivery; by eliminating long pulse tails, it fits the required pulse shape; (especially for short periods of time). (About the pulse of) The supply speed has improved. From FIGS. 7A and 7B, it is possible to compare the pulse gas supply performance between the case where the integrated downstream shutoff valve is provided and the case where the integrated downstream shutoff valve is not provided.
上述のとおり、図7Aは、図5のシステム500などの一体型の遮断弁を有していないシステムを用いて得られたパルス形状を示すグラフである。図7Bは、図6のシステム600のような一体型の高速応答性遮断弁を有するシステムを用いて得られたパルス形状を示すグラフである。図7Aと同様に、図7Bには2つの曲線が示されており、理想のパルス形状706はパルス幅が300msであり、実際のパルス形状708はシステム600を用いて得られたものである。図7Aおよび図7Bの実際のパルス形状を比較すると、図7Bのパルス形状は、ガスパルス供給の精度を高め、かつ、長いパルステールをなくすことによって理想のパルス形状に適合させることが示されている。パルステールをなくすことにより、供給速度を向上させることが可能である。
As described above, FIG. 7A is a graph showing the pulse shape obtained using a system such as the
1つ以上の外部遮断弁を有するパルスMFC(図8〜図10)について、こうしたパルスMFCも、パルス供給要求に基づいて下流側遮断弁を直接制御するものである。図9および図10に示されるような排出ラインが採用される場合、パルスMFCは、パルス供給の終了時において、新たなパルス供給が開始される前に、パルスMFCと下流側の遮断弁との間に捕捉された残存ガスを速やかに排出することができる。 For pulsed MFCs with one or more external shutoff valves (FIGS. 8-10), these pulsed MFCs also directly control the downstream shutoff valve based on the pulse supply request. When a discharge line as shown in FIGS. 9 and 10 is adopted, the pulse MFC will connect the pulse MFC to the downstream shutoff valve at the end of the pulse supply and before the start of a new pulse supply. The residual gas captured in the meantime can be quickly discharged.
図8には、外部遮断弁890を有するパルスMFC810を含むパルス供給システム800の例が示されている。パルスMFC810は、ホストコントローラ820から受信したパルス供給要求に基づいて、ガス源からのガス流および遮断弁890の開閉を制御する。
FIG. 8 shows an example of a
図9には、外部の三方遮断弁930および排出ラインを有するパルスMFC910を含むパルス供給システム900の例が示されている。遮断弁930は、図1の三方遮断弁130とは異なり、ホストコントローラ920によってではなく、パルスMFC910によって直接制御される。
FIG. 9 shows an example of a
図1に示されるような外部遮断弁を有する既存のシステムに対して、改良されたパルスMFC(MFC610など)を後付けして遮断弁の制御を行い、本明細書に記載の方法を用いて、改良されたパルス供給を提供することが可能である。改良されたパルスMFCは、標準的なMFCのように単にフローを経時的に制御するだけでなく、パルスの間に供給される流体の質量をモルレベルで補償する。ホストコントローラは、他の所望のプロセスパラメータに加えて、1パルス当たりに供給されるモル数を指定する。ただし、このMFCはパルス供給サイクルをローカルで制御する。この場合、制御弁および遮断弁は、時間のみに基づいてではなく、供給された推定モル数の計算に基づいて制御される。パルスを終了させるためには、供給された推定モル数の計算が十分に速やかに行われ、制御信号により十分に速やかに遮断弁を閉止することが必要である。つまり、この計算は、MFCにおいてローカルで行われる。 An improved pulse MFC (such as MFC610) is retrofitted to an existing system with an external shutoff valve as shown in FIG. 1 to control the shutoff valve and using the method described herein. It is possible to provide an improved pulse supply. The improved pulsed MFC not only controls the flow over time like a standard MFC, but also compensates for the mass of fluid supplied during the pulse at the molar level. The host controller specifies the number of moles to be fed per pulse, in addition to other desired process parameters. However, this MFC controls the pulse supply cycle locally. In this case, the control and shutoff valves are controlled not based solely on time, but on the calculation of the estimated number of moles supplied. In order to terminate the pulse, it is necessary to calculate the estimated number of moles supplied quickly enough and to close the shutoff valve sufficiently quickly by the control signal. That is, this calculation is done locally in MFC.
図10には、パルスMFC1010と、2つの外部遮断弁1090,1092と、排出ラインとを有するパルス供給システム1000の例が示されている。これら2つの遮断弁1090,1092は、パルス供給要求に応じてパルスMFC1010によって制御される。図示のとおり、遮断弁1090は、処理室へのフローの開閉を行うように構成され、遮断弁1092は、排出ラインへのフローの開閉を行うように構成されている。前記パルス供給要求は、ホストコントローラ1020によりMFC1010に送信される。
FIG. 10 shows an example of a
本明細書で引用した全ての特許、公開広報および文献の教示内容全体を、参照により本出願の一部をなすものとして引用する。 All patents, public relations and literature references cited herein are hereby incorporated by reference as part of this application.
上記では例示的な実施形態について具体的に図示し説明を行っているものの、当業者は、添付の請求の範囲に包含される実施形態の範囲から逸脱することなく、形態および細部に様々な変更を施すことができると理解されたい。 Although the exemplary embodiments have been specifically illustrated and described above, one of ordinary skill in the art will make various modifications to the embodiments and details without departing from the scope of the embodiments included in the appended claims. It should be understood that
上記では例示的な実施形態について具体的に図示し説明を行っているものの、当業者は、添付の請求の範囲に包含される実施形態の範囲から逸脱することなく、形態および細部に様々な変更を施すことができると理解されたい。
なお、本発明は、実施の態様として以下の内容を含む。
[態様1]
流体のパルス供給に用いる流体制御システムであって、
フローチャネルと、
前記フローチャネルからの流体のパルスの開始および終了を行う遮断弁と、
マスフローコントローラ(MFC)とを備え、
前記マスフローコントローラが、
前記フローチャネルにおける流体のフローを制御する制御弁と、
前記フローチャネルにおける流量を計測するフローセンサと、
前記制御弁を通過する流体のフローおよび前記遮断弁の切替えを制御して、前記流体のパルスの間に供給される流体の質量を制御するコントローラとを備えるシステム。
[態様2]
態様1に記載のシステムにおいて、前記コントローラが、前記遮断弁によって開始および終了される前記パルスの間、前記フローセンサからのフィードバックに基づいて、前記制御弁を通過する前記流体のフローを制御するシステム。
[態様3]
態様1または2に記載のシステムにおいて、前記フローセンサが、
前記フローチャネル内において、前記制御弁および前記遮断弁の間に配置された制流体と、
前記フローチャネル内において、前記制御弁および前記制流体の間の上流位置における上流側圧力を検出するように構成された上流側圧力センサと、
前記フローチャネル内において、前記制流体および前記遮断弁の間の下流位置における下流側圧力を検出するように構成された下流側圧力センサとを備え、
前記フローセンサが、前記上流側圧力および前記下流側圧力に基づいて流量を計測するシステム。
[態様4]
態様3に記載のシステムにおいて、前記コントローラが、前記流体のパルスの間に供給される前記流体の質量の計算に基づいて、前記遮断弁を閉止するように構成されているシステム。
[態様5]
態様3または4に記載のシステムにおいて、前記コントローラが、i)計測された前記流量、ii)検出された前記圧力、iii)前記流体のパルスの開始時間、およびiv)前記流体のパルスの終了時間の関数として、供給される流体の推定モル数を決定するように構成され、
前記コントローラが、前記供給される流体の推定モル数に基づいて、前記制御弁を通過する前記フローおよび前記遮断弁の前記切替えを制御するように構成されているシステム。
[態様6]
態様5に記載のシステムにおいて、前記コントローラが、残存流量の決定および計測された流量に基づいて、前記供給される流体の推定モル数を決定するように構成されているシステム。
[態様7]
態様6に記載のシステムにおいて、前記コントローラが、前記上流側圧力に応じた上流側圧力信号と、前記下流側圧力に応じた下流側圧力信号とを受信し、i)前記下流側圧力およびii)前記制流体と前記遮断弁との間のデッドボリュームの関数として前記残存流量を、
式中、V d2 は前記制流体と前記遮断弁との間の前記デッドボリュームであり、P d は前記下流側圧力であるシステム。
[態様8]
態様6または7に記載のシステムにおいて、前記コントローラが、前記供給される流体の推定モル数を、下記式により決定するように構成されており、
[態様9]
態様5から8のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記流量が、前記上流側圧力、前記下流側圧力、および前記流体の1つ以上の特性の関数として計測されるシステム。
[態様10]
態様9に記載のシステムにおいて、前記流体の前記1つ以上の特性には、分子量MWおよび比熱比γが含まれるシステム。
[態様11]
態様9に記載のシステムにおいて、前記フローチャネルにおける前記流体の温度を計測するように構成された温度センサをさらに備え、前記流量が、さらに、前記流体の前記温度の関数として計測されるシステム。
[態様12]
態様1から11のいずれか一態様に記載のシステムにおいて、前記コントローラが、ホストコントローラからの制御信号を受信するように構成され、前記制御信号が、前記流体の識別、前記流体のパルスの所望のモル数、および前記流体のパルスの継続時間を含むシステム。
[態様13]
態様1に記載のシステムにおいて、前記遮断弁が、前記パルスMFCに一体化されているシステム。
[態様14]
態様1に記載のシステムにおいて、前記遮断弁が、前記パルスMFCの外部に設けられているシステム。
[態様15]
態様14に記載のシステムにおいて、前記遮断弁が、処理室および排出ラインに接続された三方弁であるシステム。
[態様16]
態様15に記載のシステムにおいて、前記システムが複数の遮断弁を備え、前記遮断弁の1つが処理室に接続され、前記遮断弁の他の1つが排出ラインに接続されているシステム。
[態様17]
流体のパルスを供給する方法であって、
制御弁を用いてフローチャネルへの流体のフローを制御することと、
フローセンサを用いて前記フローチャネルにおける流量を計測することと、
遮断弁の切替えを制御して、前記フローチャネルからの流体のパルスの開始および終了を行うことと、
前記制御弁を通過する流体のフローおよび前記遮断弁の切替えを制御して、前記流体のパルスの間に供給される流体の質量を制御することとを含む方法。
[態様18]
態様17に記載の方法において、前記制御弁を通過する前記流体のフローの制御が、前記遮断弁により開始および終了される前記パルスの間、前記フローセンサからのフィードバックに基づいて行われる方法。
[態様19]
態様17または18に記載の方法において、
前記フローチャネル内において、前記制御弁および前記遮断弁の間に配置された制流体と前記制御弁との間の上流位置における上流側圧力を検出することと、
前記フローチャネル内において、前記制流体と前記遮断弁との間の下流位置における下流側圧力を検出することとをさらに含み、
前記フローチャネルにおける流量の計測が、前記上流側圧力および前記下流側圧力に基づいて行われる方法。
[態様20]
態様19に記載の方法において、i)計測された前記流量、ii)計測された前記圧力、iii)前記流体のパルスの開始時間、およびiv)前記流体のパルスの終了時間の関数として、供給される流体の推定モル数を決定することをさらに含み、
前記制御弁を通過する前記流体のフローおよび前記遮断弁の前記切替えが、前記供給される流体の推定モル数に基づいて制御される方法。
[態様21]
態様20に記載の方法において、i)前記下流側圧力およびii)前記制流体と前記遮断弁との間の前記デッドボリュームの関数として残存流量を決定することをさらに含み、
前記供給される流体の推定モル数が、前記残存流量および計測された流量に基づいて決定される方法。
Although the exemplary embodiments have been specifically illustrated and described above, one of ordinary skill in the art will make various modifications to the embodiments and details without departing from the scope of the embodiments included in the appended claims. It should be understood that
In addition, the present invention includes the following contents as an embodiment.
[Aspect 1]
A fluid control system used to supply fluid pulses.
Flow channel and
A shutoff valve that starts and ends the pulse of fluid from the flow channel,
Equipped with a mass flow controller (MFC)
The mass flow controller
A control valve that controls the flow of fluid in the flow channel,
A flow sensor that measures the flow rate in the flow channel and
A system including a controller that controls the flow of a fluid passing through the control valve and the switching of the shutoff valve to control the mass of the fluid supplied during the pulse of the fluid.
[Aspect 2]
In the system according to aspect 1, the controller controls the flow of the fluid through the control valve based on feedback from the flow sensor during the pulses started and terminated by the shutoff valve. ..
[Aspect 3]
In the system according to
In the flow channel, the control fluid arranged between the control valve and the shutoff valve,
An upstream pressure sensor configured to detect an upstream pressure at an upstream position between the control valve and the control fluid in the flow channel.
A downstream pressure sensor configured to detect a downstream pressure at a downstream position between the control fluid and the shutoff valve in the flow channel.
A system in which the flow sensor measures a flow rate based on the upstream pressure and the downstream pressure.
[Aspect 4]
In the system according to
[Aspect 5]
In the system according to
A system in which the controller is configured to control the flow through the control valve and the switching of the shutoff valve based on an estimated number of moles of the supplied fluid.
[Aspect 6]
In the system according to aspect 5, the controller is configured to determine the estimated number of moles of the supplied fluid based on the determination of the residual flow rate and the measured flow rate.
[Aspect 7]
In the system according to aspect 6, the controller receives the upstream pressure signal corresponding to the upstream pressure and the downstream pressure signal corresponding to the downstream pressure, i) the downstream pressure and ii). The residual flow rate is defined as a function of the dead volume between the control fluid and the shutoff valve.
In the equation, V d2 is the dead volume between the control fluid and the shutoff valve, and P d is the downstream pressure.
[Aspect 8]
In the system according to aspect 6 or 7, the controller is configured to determine the estimated number of moles of the supplied fluid by the following equation.
[Aspect 9]
In the system according to any one of aspects 5 to 8, the flow rate is measured as a function of one or more properties of the upstream pressure, the downstream pressure, and the fluid.
[Aspect 10]
In the system according to aspect 9, the system in which the one or more properties of the fluid include a molecular weight MW and a specific heat ratio γ.
[Aspect 11]
The system according to aspect 9, further comprising a temperature sensor configured to measure the temperature of the fluid in the flow channel, the flow rate is further measured as a function of the temperature of the fluid.
[Aspect 12]
In the system according to any one of aspects 1 to 11, the controller is configured to receive a control signal from the host controller, which is the desired fluid identification, pulse of the fluid. A system that includes the number of moles and the duration of a pulse of said fluid.
[Aspect 13]
In the system according to aspect 1, the shutoff valve is integrated with the pulse MFC.
[Aspect 14]
In the system according to the first aspect, the shutoff valve is provided outside the pulse MFC.
[Aspect 15]
In the system according to aspect 14, the shutoff valve is a three-way valve connected to a processing chamber and a discharge line.
[Aspect 16]
In the system according to aspect 15, the system includes a plurality of shutoff valves, one of which is connected to a processing chamber and the other of which is connected to a discharge line.
[Aspect 17]
It is a method of supplying a pulse of fluid,
Controlling the flow of fluid to the flow channel using a control valve
Measuring the flow rate in the flow channel using a flow sensor,
Controlling the switching of the shutoff valve to start and stop the pulse of the fluid from the flow channel,
A method comprising controlling the flow of a fluid passing through the control valve and switching of the shutoff valve to control the mass of the fluid supplied during the pulse of the fluid.
[Aspect 18]
A method according to aspect 17, wherein the control of the flow of the fluid through the control valve is performed based on feedback from the flow sensor during the pulses started and terminated by the shutoff valve.
[Aspect 19]
In the method according to aspect 17 or 18.
In the flow channel, detecting the upstream pressure at the upstream position between the control fluid arranged between the control valve and the shutoff valve and the control valve, and
Further including detecting downstream pressure at a downstream position between the control fluid and the shutoff valve in the flow channel.
A method in which the flow rate in the flow channel is measured based on the upstream pressure and the downstream pressure.
[Aspect 20]
In the method according to aspect 19, i) the measured flow rate, ii) the measured pressure, iii) the start time of the pulse of the fluid, and iv) the end time of the pulse of the fluid are supplied as a function. Further includes determining the estimated number of moles of fluid
A method in which the flow of the fluid passing through the control valve and the switching of the shutoff valve are controlled based on the estimated number of moles of the supplied fluid.
[Aspect 21]
The method of aspect 20 further comprises determining the residual flow rate as a function of i) the downstream pressure and ii) the dead volume between the control fluid and the shutoff valve.
A method in which the estimated number of moles of the supplied fluid is determined based on the residual flow rate and the measured flow rate.
Claims (21)
フローチャネルと、
前記フローチャネルからの流体のパルスの開始および終了を行う遮断弁と、
マスフローコントローラ(MFC)とを備え、
前記マスフローコントローラが、
前記フローチャネルにおける流体のフローを制御する制御弁と、
前記フローチャネルにおける流量を計測するフローセンサと、
前記制御弁を通過する流体のフローおよび前記遮断弁の切替えを制御して、前記流体のパルスの間に供給される流体の質量を制御するコントローラとを備えるシステム。 A fluid control system used to supply fluid pulses.
Flow channel and
A shutoff valve that starts and ends the pulse of fluid from the flow channel,
Equipped with a mass flow controller (MFC)
The mass flow controller
A control valve that controls the flow of fluid in the flow channel,
A flow sensor that measures the flow rate in the flow channel and
A system including a controller that controls the flow of a fluid passing through the control valve and the switching of the shutoff valve to control the mass of the fluid supplied during the pulse of the fluid.
前記フローチャネル内において、前記制御弁および前記遮断弁の間に配置された制流体と、
前記フローチャネル内において、前記制御弁および前記制流体の間の上流位置における上流側圧力を検出するように構成された上流側圧力センサと、
前記フローチャネル内において、前記制流体および前記遮断弁の間の下流位置における下流側圧力を検出するように構成された下流側圧力センサとを備え、
前記フローセンサが、前記上流側圧力および前記下流側圧力に基づいて流量を計測するシステム。 In the system according to claim 1 or 2, the flow sensor
In the flow channel, the control fluid arranged between the control valve and the shutoff valve,
An upstream pressure sensor configured to detect an upstream pressure at an upstream position between the control valve and the control fluid in the flow channel.
A downstream pressure sensor configured to detect a downstream pressure at a downstream position between the control fluid and the shutoff valve in the flow channel.
A system in which the flow sensor measures a flow rate based on the upstream pressure and the downstream pressure.
前記コントローラが、前記供給される流体の推定モル数に基づいて、前記制御弁を通過する前記フローおよび前記遮断弁の前記切替えを制御するように構成されているシステム。 In the system of claim 3 or 4, the controller i) measures the flow rate, ii) the detected pressure, iii) the start time of the fluid pulse, and iv) the end of the fluid pulse. As a function of time, it is configured to determine the estimated number of moles of fluid supplied,
A system in which the controller is configured to control the flow through the control valve and the switching of the shutoff valve based on an estimated number of moles of the supplied fluid.
式中、Vd2は前記制流体と前記遮断弁との間の前記デッドボリュームであり、Pdは前記下流側圧力であるシステム。 In the system according to claim 6, the controller receives an upstream pressure signal corresponding to the upstream pressure and a downstream pressure signal corresponding to the downstream pressure, and i) the downstream pressure and ii. ) The residual flow rate as a function of the dead volume between the control fluid and the shutoff valve.
In the equation, V d2 is the dead volume between the control fluid and the shutoff valve, and P d is the downstream pressure.
制御弁を用いてフローチャネルへの流体のフローを制御することと、
フローセンサを用いて前記フローチャネルにおける流量を計測することと、
遮断弁の切替えを制御して、前記フローチャネルからの流体のパルスの開始および終了を行うことと、
前記制御弁を通過する流体のフローおよび前記遮断弁の切替えを制御して、前記流体のパルスの間に供給される流体の質量を制御することとを含む方法。 It is a method of supplying a pulse of fluid,
Controlling the flow of fluid to the flow channel using a control valve
Measuring the flow rate in the flow channel using a flow sensor,
Controlling the switching of the shutoff valve to start and stop the pulse of the fluid from the flow channel,
A method comprising controlling the flow of a fluid passing through the control valve and switching of the shutoff valve to control the mass of the fluid supplied during the pulse of the fluid.
前記フローチャネル内において、前記制御弁および前記遮断弁の間に配置された制流体と前記制御弁との間の上流位置における上流側圧力を検出することと、
前記フローチャネル内において、前記制流体と前記遮断弁との間の下流位置における下流側圧力を検出することとをさらに含み、
前記フローチャネルにおける流量の計測が、前記上流側圧力および前記下流側圧力に基づいて行われる方法。 In the method according to claim 17 or 18.
In the flow channel, detecting the upstream pressure at the upstream position between the control fluid arranged between the control valve and the shutoff valve and the control valve, and
Further including detecting downstream pressure at a downstream position between the control fluid and the shutoff valve in the flow channel.
A method in which the flow rate in the flow channel is measured based on the upstream pressure and the downstream pressure.
前記制御弁を通過する前記流体のフローおよび前記遮断弁の前記切替えが、前記供給される流体の推定モル数に基づいて制御される方法。 In the method of claim 19, i) the measured flow rate, ii) the measured pressure, iii) the start time of the fluid pulse, and iv) the supply as a function of the end time of the fluid pulse. Further including determining the estimated number of moles of fluid to be
A method in which the flow of the fluid passing through the control valve and the switching of the shutoff valve are controlled based on the estimated number of moles of the supplied fluid.
前記供給される流体の推定モル数が、前記残存流量および計測された流量に基づいて決定される方法。 The method of claim 20 further comprises determining the residual flow rate as a function of i) the downstream pressure and ii) the dead volume between the control fluid and the shutoff valve.
A method in which the estimated number of moles of the supplied fluid is determined based on the residual flow rate and the measured flow rate.
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